Электропривод и электроснабжение горных предприятий

7.2. Типовая схема пуска двигателя постоянного тока в две ступени в функции ЭДС и динамического торможении в функции времени

В этой схеме (рис. 7.2, а) в качестве датчика ЭДС используется якорь двигателя М, к которому подключены катушки контакторов ускорения КМ1 и КМ2. С помощью регулировочных резисторов Rу1 + Rу2 эти контакторы настраиваются на срабатывание при определенных скоростях двигателя.

Рис. 7.2. Типовая схема пуска двигателя постоянного тока в две ступени в функции ЭДС и динамического торможении в функции времени

Для осуществления торможения в схеме предусмотрен резистор Rд3, подключение и отключение которого осуществляется контактором торможения КМЗ. Для обеспечения необходимой при торможении выдержки времени используется электромагнитное реле времени КТ, замыкающий контакт которого включен в цепь катушки контактора торможения КМ2.

После подключения схемы к источнику питания происходит возбуждение ДПТ, при этом все управляющие аппараты схемы остаются в исходном положении. Пуск ДПТ осуществляется нажатием кнопки SB1, что приводит к срабатыванию линейного контактора КМ, подключению двигателя к источнику питания и началу его разбега с включенными резисторами в цепи якоря Rд1 + Rд2 по характеристике 1 (см. рис. 7.2, б). По мере увеличения скорости растет ЭДС двигателя и соответственно напряжение на катушках контакторов КМ1 и КМ2. При скорости ω1 срабатывает контактор КМ1, закорачивая своим контактом первую ступень пускового резистора Rд1, и двигатель начинает работать по характеристике 2. При скорости ω2 срабатывает контактор КМ2, закорачивая вторую ступень пускового резистора Rд2. При этом двигатель выходит на работу по естественной характеристике 3 и заканчивает свой разбег в точке установившегося режима, определяемой пересечением естественной характеристики 3 двигателя и характеристики нагруз-

91

ки ω (Мс).

Для перехода к режиму торможения необходимо нажать кнопку SB2. При этом произойдет следующее. Катушка контактора КМ потеряет питание, разомкнется замыкающий силовой контакт КМ в цепи якоря ДПТ и последний отключится от источника питания. Размыкающий же блок-контакт КМ в цепи катушки контактора торможения КМЗ замкнется, последний сработает и своим главным контактом подключит резистор Rд3 к якорю М, переводя ДПТ в режим динамического торможения по характеристике 4 (см. рис.72, б). Одновременно разомкнется замыкающий контакт контактора КМ в цепи реле времени КТ, оно потеряет питание и начнет отсчет выдержки времени. Через интервал времени, соответствующий снижению скорости ДПТ до нуля, реле времени отключится и своим контактом разорвет цепь питания контактора КМЗ. При этом резистор Rд3 отключается от якоря М двигателя, торможение заканчивается и схема возвращается в свое исходное положение.

7.3. Типовые узлы и схемы управления электроприводов с АД

Типовые схемы релейноконтакторного управления АД строятся по тем же принципам (t, ω, I, пути), что и схемы с ДПТ.

Рис. 7.3. Типовая схема управления асинхронным двигателем

Типовая схема управления асинхронным двигателем, обеспечивающая его прямой пуск и динамическое торможение в функции времени (рис. 7.3). Пуск двигателя в этом случае осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего срабатывает линейный контактор КМ, подключающий двигатель к источнику питания. Одновременное замыкание контакта КМ в цепи реле времени КТ вызовет срабатывание последнего и замыкание его контакта в цепи контактора торможения КМ1, который тем не менее не сработает, так как в этой цепи разомкнулся размыкающий контакт КМ. Для остановки АД необходимо нажать кнопку SB3. Тогда контактор КМ отключится и, разомкнув свои контакты в цепи статора, отключит двигатель от сети переменного тока. Одновременно с этим замкнется контакт КМ в цепи аппарата КМ1 и разомкнется контакт КМ в цепи реле

92

КТ, что приведет к включению контактора торможения КМ1, подаче в обмотки статора постоянного тока от выпрямителя V через резистор Rr и переводу двигателя в режим динамического торможения.

Реле времени КТ, потеряв питание, начнет отсчет выдержки времени. Через некоторый интервал времени, соответствующий времени останова двигателя, реле КТ разомкнет свой контакт в цепи контактора КМ1, тот отключится и прекратит подачу постоянного тока в цепь статора. Схема вернется в исходное положение.

Интенсивность динамического торможения регулируется резистором Rт, с помощью которого устанавливается необходимый постоянный ток в статоре двигателя.

Для исключения возможности одновременного подключения статора к источникам переменного и постоянного токов в данной схеме используется типовая блокировка с помощью размыкающих контактов КМ и КМ1, включенных перекрестно в цепи катушек этих аппаратов.

Типовые схемы управления асинхронным двигателем с фазным рото-

ром, которые рассчитываются в основном на среднюю и большую мощности, должны предусматривать ограничение токов при пуске, реверсе и торможении с помощью добавочных резисторов в цепи ротора. В некоторых случаях резисторы в цепь ротора включаются с целью увеличения пускового момента двигателя.

Схема пуска асинхронного двигателя в одну ступень в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС (рис. 7.4) работает следу-

ющим образом. После подачи напряжения происходит включение реле времени КТ, которое своим размыкающим контактом разрывает цепь питания контактора КМЗ, предотвращая тем самым его включение и преждевременное закорачивание пусковых резисторов в цепи ротора.

При нажатии кнопки SB1 включается контактор КМ 1, статор подсоединяется к сети, электромагнитный тормоз YB растормаживается и начинается разбег двигателя. Включение контактора КМ1 одновременно приводит к срабатыванию контактора КМ4, который своими контактами шунтирует

93

Рис 7.4. Схема пуска асинхронного двигателя в одну ступень в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС

ненужный при пуске резистор противовключения Rд2, а также разрывает цепь катушки реле времени КТ, Последнее, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после чего замыкает свой контакт в цепи катушки контактора КМЗ, который, срабатывая, шунтирует пусковой резистор Rд1 в цепи ротора, и АД выходит на свою естественную характеристику.

Управление торможением в схеме обеспечивает реле торможения KV, контролирующее уровень ЭДС (скорости) ротора. С помощью резистора Rр оно регулируется таким образом, чтобы при пуске (0 < s < 1) наводимая в роторе ЭДС была бы недостаточна для включения, а в режиме противовключения (1 < s < 2) достаточна.

Для осуществления торможения двигателя необходимо нажать сдвоенную кнопку SB2, размыкающий контакт которой, разорвав цепь питания катушки контактора КМ1, отключит АД от сети, при этом разорвется цепь питания контактора КМ4 и замкнется цепь питания реле КТ' т.е. контакторы КМЗ и КМ4 отключаются, а в цепь ротора АД вводятся сопротивления Rд1 и Rд2.

Нажатие кнопки SB2 одновременно приводит к замыканию цепи питания катушки контактора КМ2, который, включившись, вновь подключает двигатель к сети, но уже с другим чередованием фаз сетевого напряжения на статоре, т.е. АД переходит в режим торможения противовключением. При этом реле KVсрабатывает и после отпускания кнопки SB2 будет обеспечивать питание контактора КМ2 через свой и его замыкающие контакты.

В конце торможения, когда скорость будет близка к нулю и ЭДС ротора уменьшится, реле KV отключится и своим размыкающим контактом разорвет цепь питания катушки контактора КМ2. Последний, потеряв питание, отключит двигатель от сети, и схема придет в исходное положение. При этом тормоз YB, также потеряв питание, обеспечит фиксацию (торможение) вала АД.

94

Схема пуска асинхронного двигателя в одну ступень в функции тока и динамического торможения в функции скорости (рис. 7.5) включает в себя контакторы КМ1, КМ2 и КМЗ, реле тока КА, реле контроля скорости SR, промежуточное реле KV, понижающий трансформатор для динамического торможения Т, выпрямитель VD. Максимальная токовая защита осуществляется предохранителями FA1 и FA2, а защита от перегрузки - тепловыми реле КК1 и КК2.

Схема работает следующим образом. После подачи с помощью автоматического выключателя QF напряжения для пуска двигателя нажимается кнопка SB1, т. е. включается контактор КМ1, силовыми контактами которого статор двигателя подключается к сети.

Рис. 7.5. Схема пуска асинхронного двигателя в одну ступень в функции тока и динамического торможения в функции скорости

95

Бросок тока в цепи ротора вызывает включение реле тока КА и размыкание цепи контактора ускорения КМ2, т.е. разбег двигателя начнется с пусковым резистором R2д в цепи ротора.

Включение контактора КМ1 приводит также к шунтированию кнопки SB1, размыканию цепи катушки контактора торможения КМЗ и включению промежуточного реле напряжения KV, что тем не менее не вызывает включения контактора КМ2, так как до этого в этой цепи разомкнулся контакт реле КА.

По мере увеличения скорости двигателя уменьшаются ЭДС и ток в роторе. При значении тока в роторе, равном току отпускания реле КА, оно отключится и своим размыкающим контактом замкнет цепь питания контактора КМ2, который, включившись, зашунтирует пусковой резистор R2д, после чего АД выйдет на свою естественную характеристику.

Вращение двигателя вызовет замыкание контакта реле скорости SR в цепи контактора КМЗ, однако он не сработает, так как до этого в его цепи разомкнулся контакт контактора КМ1.

Для перевода двигателя в тормозной режим необходимо нажать кнопку SB2. При этом контактор КМ1 потеряет питание и отключит АД от сети переменного тока. После замыкания контактов контактора КМ1 включается контактор торможения КМЗ, который, замыкая цепь питания обмотки статора от выпрямителя VD, подключенного к трансформатору Т, осуществляет перевод АД в режим динамического торможения. Одновременно потеряют питание аппараты KV и КМ2, что обеспечит ввод в цепь ротора резистора R2д, и двигатель начнет тормозиться.

При скорости двигателя близкой к нулю реле контроля скорости SR разомкнет свой контакт в цепи катушки контактора КМЗ, который отключится и прекратит торможение. Схема вернется в исходное положение и будет готова к последующей работе.

Принцип действия схемы не изменится, если катушку реле тока КА включить в фазу статора, а не ротора.

7.4. Типовые узлы и схемы управления электроприводов с синхронными двигателями

Релейно-контакторные схемы управления СД, кроме обычных операций включения и отключения двигателя и ограничения пусковых токов, должны обеспечивать его синхронизацию с сетью. Рассмотрим типовые схемы ЭП с СД, обеспечивающие управление возбуждением при синхронизации двигателя с сетью.

Типовая схема управления возбуждением СД в функции скорости (рис.

7.6, а). В этой схеме подключение обмотки возбуждения к источнику питания UB осуществляется контактором КМ2, который управляется реле скорости KR. Катушка этого реле связана с частью разрядного резистора Rр через диод VD. При включении контактора КМ1 (его цепи управления на рисунке не показаны) обмотка статора двигателя подключается к сети переменного тока и образует вращающееся магнитное поле, которое создает момент двигателя, под действием которого он начинает разбег, а также ЭДС в обмотке возбуждения. Под действием этой ЭДС по катушке реле KR начинает протекать выпрямленный ток, оно включается

96

и размыкает цепь питания контактора КМ2, т. е. разбег двигателя происходит без тока возбуждения с закороченной на разрядный резистор Rp обмоткой возбуждения.

По мере роста скорости ротора его ЭДС, а значит, и ток в катушке реле KR снижаются. При подсинхронной скорости ток в катушке реле KR становится

Рис. 7.6. Типовая схема управления возбуждением СД в функции скорости (а), схема управления возбуждением СД в функции тока (б)

меньше тока отпускания, оно отключается и вызывает тем самым включение контактора КМ2, который подключает обмотку возбуждения к источнику питания, обеспечивая процесс синхронизации СД с сетью.

Схема управления возбуждением СД в функции тока (рис. 7.6,б) включает

всебя реле тока КА, обмотка которого питается от трансформатора тока ТА, и реле времени КТ При подключении двигателя к сети контактором КМ1 в цепи обмотки статора возникает бросок пускового тока, который приводит к срабатыванию реле КА. Контакт этого реле, замыкая цепь питания реле времени КТ, вызывает отключение контактора возбуждения КМ2, т. е. разбег двигателя, как и

впредыдущем случае, осуществляется с закороченной на разрядный резистор Rр обмоткой возбуждения.

Вконце пуска при подсинхронной скорости двигателя и небольшом токе в статоре реле КА отключается и катушка реле времени КТ теряет питание. С определенной выдержкой времени включается контактор КМ2 и через свои контакты

подключает обмотку возбуждения к источнику питания UB, обеспечивая процесс синхронизации СД с сетью.

Отметим, что в рассмотренных выше схемах после срабатывания контакто-

ра возбуждения КМ2 разрывается цепь разрядного резистора Rp, что облегчает тепловой режим его работы и повышает экономичность схемы.

7.5. Выбор аппаратов коммутации, управления и защиты

Основой для выбора аппаратов коммутации, управления и защиты ЭП являются номинальные (паспортные) данные двигателя, режимы и условия его работы. Применяемые устройства должны полностью обеспечивать выполнение всех возлагаемых на них функций и соответствовать условиям работы ЭП.

97

Автоматические выключатели выбираются по номинальным току и напряжению, роду тока, предельной коммутационной способности, электродинамической и термической стойкости, собственному времени включения. Все их параметры должны соответствовать работе ЭП как в обычном, так и аварийном режимах, а конструктивное исполнение - условиям размещения.

При наличии в автоматах тепловой и максимальной защит, обеспечиваемых с помощью различного рода расцепителей, их уставки должны соответствовать уровням соответствующих токов двигателя. Максимальная токовая защита не должна срабатывать при пуске двигателя, для чего ее уставку Iу.м необходимо выбирать из соотношения

где Iпуск - пусковой ток двигателя; kн = 1,5...2,2 - коэффициент, учитывающий вид расцепителя и возможный разброс тока его срабатывания относи-

тельно уставки.

Защита от перегрузки (тепловая защита) считается эффективной при

Предельной коммутационной способностью автомата считают максимальное значение тока короткого замыкания, который он способен отключить несколько раз, оставаясь исправным.

Электродинамическая стойкость автомата определяется амплитудой ударного тока короткого замыкания, которую он способен выдержать без повреждения.

Термическая стойкость автомата определяется максимально допустимым количеством тепла, которое он может выдержать без повреждения за время действия тока короткого замыкания.

Для определения соответствия приведенных параметров автоматов условиям работы ЭП предварительно определяются токи короткого замыкания.

Электромагнитные аппараты (контакторы, реле, магнитные пус-

катели). К числу показателей, по которым они выбираются, относятся характер и значения напряжений главной цепи и цепи управления (включающих катушек); коммутационная способность контактов и их число, допустимая частота включений; режим работы; категория размещения; степень необходимой защиты от воздействия окружающей среды.

Дополнительно при выборе реле, выполняющих функции управления и защиты, учитываются род входной воздействующей величины (ток, напряжение, мощность), выдержка времени (реле времени), коэффициент возврата, время срабатывания и отпускания.

Выключатели и переключатели выбираются по роду и значению напряжения, току нагрузки, числу переключений, которое они допускают по условиям механической и электрической износостойкости, а также конструктивному исполнению.

Кнопки и ключи управления выбираются по роду и уровню напряжения, значению коммутируемого тока, числу коммутируемых цепей, требуемой степени защиты, климатическим условиям, электрической и механической

98

износостойкости.

Предохранители. Выбор плавкой вставки предохранителя определяется пусковым током двигателя, т. е. она не должна перегорать при его пуске. Для АД

где Iс - суммарный ток катушек максимального числа одновременно включенных аппаратов в схеме управления.

Реле максимального тока. Уставка тока при защите АД с корот-

99

Тема 8. ЗАМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Замкнутые схемы применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить управление движением исполнительных органов рабочих машин с высокими качеством (большие диапазон регулирования скорости и точность ее поддержания, заданное качество переходных процессов и необходимая точность остановки, а также высокая экономичность или оптимальное функционирование технологического оборудования и самого ЭП).

8.1. Схемы замкнутых структур электропривода

Замкнутые структуры ЭП строятся по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения, называемому также принципом обратной связи.

Принцип компенсации рассмотрим на примере компенсации наиболее характерного внешнего возмущения ЭП - момента нагрузки Мс при регулировании его скорости ω (рис. 8.1, а). Основным признаком такой замкнутой структуры ЭП является наличие цепи, по которой на вход ЭП вместе с задающим сигналом скорости Uзс подается сигнал, пропорциональный моменту нагрузки: Uм= kмМс, где kм - коэффициент пропорциональности. В результате управление ЭП осуществляется суммарным сигналом U∆, который, автоматически изменяясь при колебаниях момента нагрузки, обеспечивает поддержание скорости ЭП на заданном уровне.

Несмотря на эффективность, управление ЭП по схеме, приведенной на рис. 8.1, осуществляется редко из-за отсутствия простых и надежных датчиков момента нагрузки Мс (возмущающего воздействия). Поэтому в большинстве замкнутых схем используется принцип отклонения (принцип обратной связи), который характеризуется наличием цепи обратной связи, соединяющей выход ЭП с его входом. В данном случае при регулировании скорости используется цепь обратной связи, по которой информация о текущем значении скорости (сигнал обратной связи Uoc=koс ω) подается на вход ЭП, где он вычитается из сигнала задания скорости Uзс. Управление осуществляется сигналом отклонения U∆ = Uзс - Uoc (его также называют сигналом рассогласования или ошибки), который при отличии скорости от заданной соответственно автоматически изменяется и с помощью системы управления ЭП устраняет эти отклонения.

Рис. 8.1. Схема управления ЭП

При необходимости регулирования других координат ЭП или рабочей машины используются обратные связи по этим координатам.

Все применяемые в замкнутом ЭП обратные связи делятся на поло-

100